[发明专利]一种具备减阻特性的梭形仿生微结构

说明书

本发明公开了一种具备减阻特性的梭形仿生微结构，属于微结构功能材料领域。该结构包括：(a)梭形结构层，(b)基底材料层，若干梭形结构体以一定的排布规则布置于基底材料上，形成所述的梭形结构层。所述梭形结构体的一端为尖角，另一端为圆弧曲面，每个尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接，各梭形结构体的尖角端冲朝向同一方向。本发明提出的基于高山箭竹叶表层微观结构的梭形微结构可显著减小表面摩擦阻力，有效改善固流接触层的气动性能,可广泛应用于现代工程领域。

技术领域

本发明涉及微结构功能材料领域，具体而言，就是提供了一种具备减阻特性的仿高山箭竹叶梭形微结构。

背景技术

快速、高性能成为现代科技发展的必然要求，同时，随着现代社会的发展和生态文明建设的推进，绿色、节能、可持续的发展理念日渐成为人类社会发展的主旋律。资料显示，对于船舶、飞机等交通工具而言，最大的能耗是克服其与流体介质摩擦所带来的阻力；流体传输中有相当一部分的能量损耗于克服流体与传输设备之间的摩擦阻力。据统计，船舶行驶时表面摩擦阻力约占总阻力的70％-80％；民用飞机飞行时表面摩擦阻力占总阻力的50％左右。表面摩擦阻力成为限制设备性能的最主要的因素之一，同时也成为能源损耗的罪魁祸首。设法减小物体表面与流体之间的摩擦阻力对于提高设备性能、实现节能减排、提高资源利用率具有重要的工程应用价值，对推进生态文明建设以及人类社会的可持续发展具有重要意义。

物体与流体之间发生相对运动时，会形成兴波阻力、压差阻力和摩擦阻力等三种阻力。前两者由物体外形引起，可通过优化外形结构来改善，且此方面的研究已日臻完善；而摩擦阻力源于物体表面与周围流体之间的相互作用，可通过物体表面层的结构和性能改良以及表面微结构调控来改善，不过由于其过程的复杂性，相关研究还不是很成熟。摩擦阻力的影响因素有三个方面，一是物体表面层结构和性能，以及物体表面的化学和物理特性；二是流体的密度、粘度等属性；三是物体表面和流体的相对运动状态，包括相对运动速度和边界层状态。减小表面摩擦阻力的主要解决方式包括减阻剂减阻、微气泡减阻、低表面能涂层减阻、非光滑表面减阻以及柔性壁减阻等。近些年，受到鲨鱼皮肤表面微观结构的启示，很多科学家对此展开了大量的研究，基于鲨鱼皮肤表层微观结构制备的非光滑表面减阻材料也已经获得了广泛的工程应用。将基于仿生的物体表面微观结构设计应用于表面减阻研究将为减阻研究研究提供新的研究思路和方法。基于鲨鱼皮肤表层微观结构制备并成功应用的启示，高山箭竹叶梭形结构体流线排布的肋结构表面作为一种减阻效果更为优秀的微结构表面受到了我们关注。高山箭竹是一种分布在海拔2200到3000米之间的常绿竹类植物，生长环境恶劣，高海拔、气温低、多强风，我们观察到高山箭竹叶表面具有特殊的复合微观结构，该复合微观结构中的梭形结构对于箭竹防风减阻具有重要作用。通过深入的研究，我们发现该微结构表面具有与鲨鱼皮肤表层微结构不同的减阻机理，同时具备较鲨鱼皮肤而言更加显著的减阻特性。

基于以上的讨论，我们提出了一种基于高山箭竹叶表层微观结构的梭形微结构表面层材料，该材料具备优秀的减阻特性，可广泛应用于现代工程领域。

发明内容

本发明针对工程应用中的减阻需求提供了一种仿高山箭竹叶梭形微结构。

本发明提供的具备减阻特性的梭形仿生微结构，包括：(a)梭形结构层，(b)基底材料层，若干梭形结构体以一定的排布规则布置于基底材料上，形成所述的梭形结构层。

所述梭形结构体的一端为尖角，另一端为圆弧曲面，每个尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接，其内部为实体或空腔结构；梭形结构体长度范围在20到60微米，宽度范围在10到30微米，高度范围在10到30微米。

所述的排布规则为：梭形结构体以一定的间隔按照流线形沿基底材料表面排布，同一流线上梭形结构体间距范围为40到80微米，相邻流线间距范围在百微米尺寸，相邻流线上梭形结构体相对排列或交错排列；各梭形结构体的尖角端冲朝向同一方向；